Modelo matemático preditivo para caracterização da resposta térmica temporal de tubos temperados por imersão em um tanque de água

• Autor(a) principal: Pedro Henrique Vasconcellos Apipe
• Data de Publicação: 2017
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-AU6HCN
• topic: Estudo experimental; Processo de têmpera; Modelo matemático; Volumes finitos; Aço Tratamento termico; Método dos elementos finitos; Modelos matemáticos; Engenharia mecânica

O conhecimento da curva de resfriamento durante o processo de têmpera em aço é essencial para se definir as propriedades mecânicas e a qualidade final do material. Como essas propriedades variam sensivelmente em função da taxa de resfriamento, é fundamental monitorar e controlar a resposta térmica durante esse tratamento. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo matemático preditivo unidimensional para a caracterização da resposta térmica temporal na parede de tubos temperados por imersão em um tanque de água. Neste modelo, a parede do tubo foi dividida em vários volumes de controle. A equação da condução do calor foi aplicada para cada volume durante um dado passo de tempo e a taxa de transferência de calor por condução na superfície interna e externa do tubo foi considerada igual à taxa de transferência de calor por convecção entre o tubo e a água. As equações do modelo foram resolvidas pelo método de volumes finitos, utilizando um esquema totalmente implícito. Em paralelo, uma solução analítica simplificada foi desenvolvida para realizar a validação numérica do modelo. Testes de malha revelaram que malhas com passos de tempo igual a 0,2s e número de volumes de controle iguais a 100 apresentaram um excelente compromisso entre o esforço computacional e os resultados obtidos. Erros relativos médios inferiores a 8%, entre a solução numérica e a solução analítica simplificada, comprovaram a validação numérica do modelo. Para validação física do modelo, testes em uma linha de tratamento térmico com tubos temperados por imersão em um tanque de água foram realizados. O tubo foi instrumentado com termopares do tipo K, que foram dispostos ao longo do seu comprimento e próximos das suas superfícies interna e externa. Por meio do emprego de coeficientes de transferência de calor médios compreendidos entre 1.000 (W/m².K) e 25.000 (W/m².K), soluções numéricas foram geradas e comparadas aos resultados obtidos experimentalmente. Os erros relativos médios para o todo o processo de resfriamento foram inferiores a 14,5% e próximos a 7% para o resfriamento até 62% do tempo total. A principal conclusão deste trabalho foi que o modelo, utilizando uma combinação de coeficientes de transferência de calor médio constantes, apresentou boa precisão na previsão da curva de resfriamento, notadamente até o segundo terço do processo.